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發(fā)酵過程參數(shù)檢測

來源:保興賽斯制藥裝備(上海)有限公司   2024年03月05日 16:41   1324

微生物的生長代謝過程是動態(tài)變化的,細胞不停地在于外界環(huán)境進行著物質(zhì)交換。發(fā)酵參數(shù)可以正確地反映發(fā)酵條件和微生物代謝的變化。根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點,可分為三類,即物理參數(shù)、化學參數(shù)及生物學參數(shù)。

一、物理參數(shù)

1、溫度

   對于所有生物細胞的生物反應,溫度都是很重要的影響因素。不同生物細胞、不同發(fā)酵階段、不同產(chǎn)物,所需的溫度范圍并不一致,將溫度控制在其理想范圍內(nèi),有利于生物細胞的生長繁殖和產(chǎn)物合成。除此之外,溫度還與溶解氧濃度密切相關。溫度檢測儀表有熱電阻檢測器、半導體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計等。保興賽斯發(fā)酵罐使用進口Pt100電極檢測溫度。

溫度電極-截圖.png

圖1 溫度電極


2、壓力

發(fā)酵過程中維持罐內(nèi)正壓,是防止雜菌污染的重要措施。同時罐壓與培養(yǎng)液中O2CO2的溶解度有關,間接影響菌體的生長代謝。常用的壓強檢測儀是壓力表,一般安裝在發(fā)酵罐或空氣過濾器頂部,通過手動調(diào)節(jié)進氣和出氣閥門改變罐內(nèi)壓力。為便于觀測和控制,保興賽斯配有罐壓自控系統(tǒng)的設備,可將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號與儀表聯(lián)接,再反饋控制閥門開關,自動調(diào)節(jié)壓力。

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圖2 保興賽斯發(fā)酵設備壓力表應用示例


3、通氣流量

對于好氧生物發(fā)酵,必須向發(fā)酵罐內(nèi)通入無菌空氣,一是供應生物細胞生長代謝所必須的氧,二是增加培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì),三是維持罐內(nèi)正壓環(huán)境。通氣量的大小直接影響發(fā)酵液中氧的傳遞。

測量氣體流量的裝置分為體積流量型和質(zhì)量流量型。體積流量型氣體流量計包括轉(zhuǎn)子流量計和同心孔板壓差式流量計,實驗室小試和中試發(fā)酵系統(tǒng)常應用轉(zhuǎn)子流量計,同心孔板壓差式流量計一般用于工業(yè)生產(chǎn)的大罐。質(zhì)量流量計測量精度比轉(zhuǎn)子流量計更高。保興賽斯發(fā)酵罐配有空氣流量自動控制系統(tǒng),帶質(zhì)量流量計,可與溶氧進行關聯(lián)控制。

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圖3 保興賽斯發(fā)酵設備質(zhì)量流量計應用實例

4、攪拌轉(zhuǎn)速

攪拌轉(zhuǎn)速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶解速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響,同時影響生物細胞的生長、產(chǎn)物合成、攪拌功率消耗等。當通氣量一定時,攪拌轉(zhuǎn)速升高,其溶氧速率增大,消耗的攪拌功率也越大。攪拌轉(zhuǎn)速的檢測常用方法有磁感應式、光感應式和測速發(fā)電機等三種。

5、液位

液位檢測的主要方法有壓差法、電容法、電導法等。壓差法是利用發(fā)酵罐內(nèi)上下兩點或三點間的不同壓強,計算料液量和液面高度。除此之外,保興賽斯發(fā)酵罐帶有大視鏡,直接觀察液位和發(fā)酵狀態(tài),還可選配罐體稱重系統(tǒng),直接測量裝液量,大罐(≥500L)可選配壓差液位計檢測裝液量。

6、泡沫

   發(fā)酵液面上的泡沫層,如果控制不好,會降低發(fā)酵罐裝液系數(shù),減少設備利用率,甚至出現(xiàn)“逃液”現(xiàn)象,造成浪費和污染。保興賽斯發(fā)酵設備配消泡電極,自動檢測泡沫,控制界面選擇設定蠕動泵功能,可按照時間比例自動添加消泡劑。

消泡電極(1)(1).png

圖4 保興賽斯發(fā)酵設備消泡電極應用實例

7、黏度

培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)液的成分及濃度、細胞濃度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。而發(fā)酵液的黏度(或表觀黏度)對溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響,同時對攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化均起著重要作用。發(fā)酵工業(yè)上常用的黏度測定儀有振動式黏度傳感儀、毛細管黏度計、回轉(zhuǎn)式黏度計和渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計等。

二、化學參數(shù)

1、pH

   發(fā)酵液的pH是發(fā)酵過程中各種生化反應的綜合結(jié)果,是細胞生長和產(chǎn)物生成的重要指示。通常用的pH測定儀是pH玻璃電極,其結(jié)構(gòu)緊湊、可高溫滅菌。

pH電極-截圖.png

圖5 pH電極

2、DO

溶解氧濃度直接影響微生物的代謝,它的大小與氧的傳遞速率、微生物的攝氧率等有關。此外,發(fā)酵過程溶解氧還可以作為判斷發(fā)酵是否有雜菌或噬菌體污染的間接參數(shù),若溶氧濃度變化異常,則提示發(fā)酵系統(tǒng)出現(xiàn)雜菌污染或其他問題。故對培養(yǎng)液中的溶氧濃度必須測定和控制。

在發(fā)酵過程中,常用的溶氧電極有極譜溶氧電極和光學溶氧電極兩種。但在某些限氧條件下進行的發(fā)酵反應,如厭氧發(fā)酵,溶氧電極無法精確測定溶氧值,檢測氧化還原電位參數(shù)更為理想。

DO電極.jpg

圖6 DO電極

3、溶解CO2濃度

通氣發(fā)酵過程中,由于生物細胞的呼吸和生物合成,培養(yǎng)液中的氧會被部分消耗,而CO2的含量會升高。對大部分的好氧發(fā)酵,當發(fā)酵液中溶解CO2濃度增至某值時,就會使細胞生長和產(chǎn)物合成速率下降。溶解CO2濃度可用CO2電極測定。

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圖7 CO2電極

4、尾氣

   通過發(fā)酵尾氣中CO2O2在線檢測分析和裝液量、進氣量等數(shù)據(jù),可以計算獲取發(fā)酵過程重要的呼吸代謝參數(shù),如CO2釋放速率(CER)、攝氧率(OUR)、呼吸商(RQ)等。這些參數(shù)反映了微生物的代謝狀況,尤其能提供從生長向生產(chǎn)過渡或主要基質(zhì)間的代謝過渡指標。尾氣的檢測可直接使用尾氣分析儀,在線監(jiān)測尾氣中CO2O2氣體濃度。

圖8 保興賽斯尾氣分析儀應用實例

5、產(chǎn)物濃度

檢測產(chǎn)物濃度可以了解發(fā)酵的進程以及決定發(fā)酵是否正?;蚴欠窠Y(jié)束發(fā)酵。生物傳感器是由固定化的生物材料和適當?shù)男盘栟D(zhuǎn)換器相結(jié)合而成的檢測器件,目前已有用于葡萄糖檢測的葡萄糖酶電極傳感器和用于酒精、乳酸等測定的微生物傳感器。但仍有一些其他物質(zhì)缺乏相應的傳感器,需要采用離線檢測。保興賽斯發(fā)酵設備可選配在線生化分析儀和生化分析儀兩種。

     
圖9a 自動取樣器                                                                                        圖9b 保興賽斯自動取樣器應用實例                                                                                                 圖9c 在線生化分析儀

三、生物學參數(shù)

1、菌體形態(tài)

觀察種子階段菌體的生長情況,可選擇種齡最合適的種子。在發(fā)酵過程中,定時鏡檢,有利于發(fā)現(xiàn)生長異常的菌體或雜菌污染,及時采取措施控制情況。

2、菌體濃度

在發(fā)酵過程中,生物細胞濃度是發(fā)酵生產(chǎn)速率和效率關鍵的影響因素。生物細胞濃度的測定有全細胞濃度和活細胞濃度之分。全細胞濃度測定方法分為濕重法、干重法、濁度法、濕細胞體積等。其中,流通式濁度計可在線檢測全細胞濃度?;罴毎麧舛鹊臏y定原理是利用活細胞催化的反應或活細胞本身有的物質(zhì)如ATP,使用生物發(fā)光或化學發(fā)光法測定。

參考資料:

[1]朱明軍.生物工程設備[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2021.12





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